Porównanie procesu biosorpcji i bioakumulacji mikroelementów przez makroalgę Vaucheria sesstlis

(1)

PRACE EKSPERYMENTALNE

Adres do korespondencji Izabela Michalak, Instytut Technologii Nieorganicznej i Nawozów Mineralnych, Politechnika Wrocławska, ul. Smoluchowskiego 25, 50-372 Wrocław;

e-mail: izabela.michalak

@pwr.wroc.pl

biotechnologia

1 (88) 132-146 2010

Porównanie procesu biosorpcji i bioakumulacji mikroelementów przez makroalgę Vaucheria sesstlis

Izabela Michalak, Katarzyna Chojnacka

Instytut Technologii Nieorganicznej i Nawozów Mineralnych, Politechnika Wrocławska, Wrocław

The comparison of biosorption and bioaccumulation of microelement by macroalga Vaucheria sessilis

Summary

In the present paper, two methods, which are used to bind metal ions form aqueous solutions by the biomass - biosorption and bioaccumulation, were compared. These processes could find potential application in the production of mineral feed additives from the biomass of macroalga - Vaucheria sessilis, which will constitute a carrier of highly bioavailable microelements (Zn(ll), Mn(ll), Cu(ll) and Co(ll)) for animals. However, there are essential differences be

tween these processes: the first one concerns fresh biomass, the second one - dry biomass. The aim of the work was to choose the method of the biomass en

richment. The equilibrium capacities for biosorption process were higher than in case of bioaccumulation for the same process parameters - for Co(II) ions, the biosorption capacity was 37,9% higher than for bioaccumulation, for Cu(ll) ions - 27,4% higher, for Mn(ll) - 17,7% higher, and for Zn(ll) - 9,33%. Also, the rate constants for biosorption were much higher than for bioaccumulation. The better method to enrich the biomass turned out to be biosorption, which addi

tionally could be performed for considerably higher initial concentration of microelement ions than bioaccumulation.

Key words:

biosorption, bioaccumulation, microelement ions, macroalga Vaucheria sessilis.

1. Wprowadzenie

W doświadczeniach zdolności biosorpcyjne i bioakumulacyj- ne alg są najczęściej badane pod kątem oczyszczania ścieków przemysłowych, zwłaszcza tych, których stężenie jest mniejsze

(2)

niż 100 mg/dm^, a w przypadku których stosowanie innych metod oczyszczania jest nieefektywne i zbyt kosztowne [1]. W pracy tej przeanalizowano możliwość zasto

sowania procesu biosorpcji i bioakumulacji jako metod wzbogacania biomasy ma- kroalgi Vaucheria sessilis w kationy o znaczeniu paszowym, w tym: Zn(ll), Mn(ll), Cu(Il) i Co(ll). Argumentem przemawiającym za zastosowaniem makroalg w żywie

niu zwierząt jest Rozporządzenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z 11 grudnia 2006 r. w sprawie kategorii materiałów paszowych, zgodnie z którym, algi zostały do

puszczone do stosowania jako materiał paszowy.

Istnieją jednakże zasadnicze różnice pomiędzy tymi procesami: biosorpcja jest procesem jednoetapowym i dotyczy nieżywej biomasy |2], podczas gdy w bioaku

mulacji pierwszy etap zwany pasywną bioakumulacją (biosorpcja) polega na wiąza

niu jonów metalu do powierzchni bioakumulatora, co nie wymaga aktywności meta

bolicznej komórek. Drugi etap zwany jest aktywną bioakumulacją. Dotyczy wprowa

dzenia jonu metalu do wnętrza komórki i jego wewnątrzkomórkowej lokalizacji i depozycji, co wiąże się z aktywnością metaboliczną komórki [3,4]. Teoretycznie, ilość mikroelementów związanych przez makroalgę w procesie bioakumulacji po

winna być większa niż w procesie biosorpcji. jednakże, podstawową wadą bioaku

mulacji jest konieczność prowadzenia tego procesu przy znacznie niższych stęże

niach jonów metali w roztworze niż proces biosorpcji, z powodu toksyczności przy wyższych stężeniach lub też interakcji ze składnikami pożywki (strącanie, komplek- sowanie, chelatowanie) [5|. Amado Filho podaje, że stężenie jonów Zn(ll) w roztwo

rze - 5 mg/dm^, jak się okazało, jest letalne dla następujących makroalg: Ulva lactuca, Enteromorpha fJexuosa, Padina gymnospora, Sargassiim filipendiila, Hypnea nuisciformis i Spyridia fdamentosa, a w przypadku Ulva i Enteromorpha już stężenie 1 mg/dm^ wy

wołało obumieranie komórek [6|. Hu i wsp. wykazali, że LC50 dla Gracilaria tenuistipitata wynosiło 300 mg Cd(ll)/dm^ [7|.

Wspólnym etapem obu procesów jest wiązanie jonów mikroelementów do ścia

ny komórkowej biomasy, której budowa chemiczna decyduje o przebiegu procesu.

W literaturze kilka prac poświęcono temu aspektowi. W literaturze podaje się, że ściana komórkowa Vaucheria zbudowana jest głównie z: monosacharydów (cukry proste: glukoza, ryboza, ksyloza, arabinoza; aminocukry: N-acetylo-glukozamina;

kwasy cukrowe: kwasy uronowe), polisacharydów (celuloza, glukan, pektyna, algi- niany), białek i lipidów [8-11], które zawierają liczne grupy funkcyjne (karboksy

lową, hydroksylową, aminową, N - acetylową i fosforanową). Grupy te odgrywają podstawową rolę w procesie biosorpcji i bioakumulacji.

W celu porównania procesu biosorpcji i bioakumulacji wybrano makroalgę Vaucheria sessilis, która należy do różnowiciowców (Xanthophyceae). Spośród 70 gatunków Vaucheria sp. na świecie, ok. 40 gatunków występuje w Europie [12]. Makroalga ta żyje głównie na terenach bagiennych, w wodach słodkich i słonych oraz na brzegu zbiorni

ków wodnych. W Polsce w wodach słodkich pospolicie występują gatunki: V. sessilis (Voucher) De Candolle, V. geminata (Voucher) De Candolle i V. hamata Walz. W Bałtyku występują np. V. thuretii Woronin, V. meduza Christensen, V. synandra Woronin [8[.

Porównanie procesu biosorpcji i bioakiimulacji mikroelementów przez makroalgę Vaucheria sessilis

(3)

Celem pracy było porównanie procesu biosorpcji i bioakumulacji jonów mikro

elementów z układu wieloskładnikowego przez słodkowodną makroalgę Vaucheria sessilis. Proces bioakumulacji przeprowadzono w dwóch układach, w których suma stężeń mikroelementów wynosiła 0,700 i 1,48 meq/dm^ (meq - jednostka uwzględ

niająca wartościowość jonu metalu), zaś biosorpcji dla S 1,73 meq/dm^. Badania te miały na celu wybór metody wzbogacania makroalgi w kationy mikroelementów.

2. Materiały i metody

w doświadczeniach nad kinetyką procesu biosorpcji i bioakumulacji jonów mi

kroelementów użyto makroalgę Voucheria sessilis, którą otrzymano z Culture Collec

tion of Algae (SAG) - Uniwersytet w Gottingen (Niemcy). W procesie bioakumulacji wykorzystano żywą biomasę, hodowaną w warunkach laboratoryjnych na pożywce Basal Medium [13], zaś w procesie biosorpcji nieżywą biomasę, którą otrzymano w wyniku wysuszenia w temperaturze 60°C świeżej biomasy trzykrotnie przemytej wodą dejonizowaną. Schemat doświadczeń przedstawiono na rysunku 1.

Bioakumulacja

z mikroelementów:

0,700 meq/dm^

Z mikroelementów.

1,48 meq/dm^

Biosorpcja

z mikroelementów:

1,73 meq/dm3

Cs=10,1 m.m./dm^=0,55 m.s./dm’ Cs=0,55 m.s./dm’

pH 5,7; 25 °C Legenda;

~ I Roztwór pożywki hodowlanej z jonami Cu(ll), Zn(ll), Co(ll) i Mn(ll)

^ biomasa Vaucheria sessilis

• • • • • Nieżywa biomasa Vaucheria sessilis (proszek)

Rys. 1. Schemat doświadczeń nad bioakumulacją i biosorpcją Jonów mikroelementów przez Vaucheria sessilis w układzie wieloskładnikowym.

(4)

Porównanie procesu biosorpcji i bioakiimulacji mikroelementów przez makroalgę Vaucheria sessilis

Roztwory mikroelementów przygotowano z następujących soli: ZnS04 • 7H2O, MnS04 ■ H2O, CL1SO4 • 5H2O, Co(N03)2 • 6H2O (POCh SA, Gliwice (Polska)). Wybór soli mikroelementów do badań był podyktowany wcześniejszymi wynikami doświad

czalnymi nad wpływem anionu soli na stopień wiązania kationów do biomasy [14]

oraz zapisami obowiązującego polskiego prawa (Obwieszczenie Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z 7 stycznia 2004 r. w sprawie wykazów dodatków paszowych i mate

riałów paszowych), które określa sole nieorganiczne dopuszczone do stosowania jako nieorganiczne dodatki paszowe. Stężenie sorbatu przed i po procesie bioakumulacji i/lub biosorpcji badano metodą emisyjnej spektrometrii plazmowej ICP-OES z wykorzystaniem aparatu Vista-MPX firmy Varian (Australia) [15] w Laboratorium Chemicznym Analiz Wielopierwistkowych akredytowanym przez Polskie Centrum Akredytacji (PCA) (Nr AB 696) i ILAC-MRA. Do kalibracji wykorzystano wielopier- wiastkowy wzorzec kalibracyjny (100 mg/dm^ Astasol®, Praga, Czechy).

3. Wyniki i dyskusja

3.1. Skfad mineralny biomasy Vaucheria sessilis

Badania nad biosorpcją i bioakumulacją jonów mikroelementów przeprowadzo

no na biomasie makroalgi Vaucheria sessilis, uprzednio wyhodowanej w warunkach laboratoryjnych. Skład suchej biomasy przedstawiono w tabeli 1.

W celu wyznaczenia zależności pomiędzy stężeniem danego pierwiastka w bioma

sie makroalgi, a jego stężeniem w roztworze pożywki, obliczono tzw. współczynni

ki bioakumulacji - BCF (ang. Bioaccumulation Concentration Factor); (BCF=C]/C2, gdzie C] i C2 jest stężeniem danego pierwiastka w suchej biomasie makroalgi i w roztworze pożywki, odpowiednio). Otrzymane wyniki pozwalają wnioskować, że Vaucheria sessilis jest bardzo dobrym bioakumulatorem jonów metali - stężenie jonów w biomasie znacznie przewyższało ich stężenie w roztworze pożywki (tab. 1).

BCF dla większości jonów (poza Co(ll), Mo(ll), K(l), Na(ll)) miał ten sam rząd wielkości.

Wykazano, że istnieje liniowa zależność pomiędzy ilością jonów mikroelemen

tów wchodzących w skład pożywki hodowlanej a jej zawartością w naturalnej bio

masie (R 0,993 - rys. 2). Wynika to z naturalnej zdolności alg do akumulowania składników mineralnych w biomasie (dla przykładu, stężenie soli mineralnych w ko

mórkach makroalg jest kilkaset lub nawet kilka tysięcy razy większe niż w wodzie morskiej) [16|.

Przy rozpatrywaniu możliwości zastosowania makroalg w żywieniu zwierząt na

leży zwrócić również szczególną uwagę na zawartość metali toksycznych w biomasie, która jest regulowana Rozporządzeniem Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z 23 stycz

nia 2007 r. w sprawie dopuszczalnych zawartości substancji niepożądanych w paszach (Dz U., 2007, nr 20, poz.119) oraz dyrektywą UF (2003/100/EC, L 285/33). Ustawa

(5)

Tabela 1 Skład mineralny próbek

Pierwiastek

Vacheria sessilis

Skład roztworu

pożywki Współczynnik bioakumulacji BCF

mg/kg s.m. mg/dm3

mikroelementy

Cu 22,8 ± 3,4 0,0112 ± 0,0028 2036

Co 4,25 ± 0,64 0,0002 ± 0,00005 21 250

Cr 29,6 ± 4,4 0,0151 ± 0,0038 I960

Mn 220 ± 33 0,0498 ± 0,0125 4418

Mo 9,63 ± 1,44 LLD<0,0186 >518

Fe 3616 ± 723 0,762 ± 0,114 4745

Zn 240 ± 36 0,141 ± 0,021 1702

metale alkaliczne

Ba 24,7 ± 3,7 0,0145 ± 0,0036 1703

Ca 4671 ± 934 4,32 ± 0,65 1081

K 20 680 ± 4136 89,1 ± 13,4 232

Mg 8339 ± 1668 2,83 ± 0,42 2947

Na 594 ± 89 0,733 ±0,110 810

metale ciężkie

Cd 1,34 ± 0,17 0,000421 ± 0,000084 3183

Ni 9,36 ± 1,22 LLD<0,0153 >612

Pb 7,84 ± 1,02 LLD<0,0396 >198

LLD - poniżej limitu detekcji (ing/dm^)

Rys. 2. Zależność pomiędzy ilością jonów mikroelementów wchodzących w skład pożywki hodowla

nej a jej zawartością w naturalnej biomasie.

(6)

Porównanie procesu biosorpcji i bioakumulacji mikroelementów przez makroalgę Vaucheria sessilis

dopuszcza następujące limity zawartości metali: Pb: 5-40 mg/kg, Hg: 0,1-0,5 mg/kg i Cd: 0,5-10 mg/kg. Zawartość Pb i Cd w biomasie makroalgi mieściła się w granicach wyznaczonych przez obowiązujące prawo, natomiast zawartość Hg przekraczała czterokrotnie dopuszczalny limit. Biorąc jednakże pod uwagę, że w celu pokrycia 100% zapotrzebowania zwierząt (kury nioski i prosięta) na badane mikroelementy (Mn(ll), Zn(ll), Cu(ll) i Co(ll)) (zgodnie z Normami Żywienia Zwierząt [17,18]) należy dodać do 1 kg paszy średnio 5 g wzbogaconej makroalgi dla kur niosek i 10 g dla prosiąt [19], co wiąże się z wprowadzeniem do 1 kg paszy nieznacznej ilości rtęci - odpowiednio 0,0092 mg i 0,0184 mg.

3.2. Kinetyka procesu biosorpcji i bioakumulacji jonów mikroelementów przez Vaucheria sessilis

Kinetykę procesu biosorpcji i bioakumulacji jonów mikroelementów przez ma

kroalgę Vaucheria sessilis prowadzono w celu wyznaczenia czasu niezbędnego do osiągnięcia stanu równowagi. W przypadku biosorpcji, mamy do czynienia z proce

sem odwracalnym, w którym jony metalu z roztworu wiążą się z grupami funkcyjny

mi znajdującymi się na powierzchni biomasy algi. Bioakumulacja natomiast składa się z dwóch etapów: pierwszego pasywnego, odwracalnego i drugiego aktywnego, nieodwracalnego zakończonego depozycją jonu we wnętrzu żywej komórki. Dane doświadczalne opisano modelem pseudodrugorzędowym (1), który umożliwił wy

znaczenie równowagowej pojemności (ągq) i stałej szybkości {k) [20].

dt ^2,ad ■i^eq -RY ⁽1⁾

Wartość fleq zarówno dla procesu bioakumulacji jak i biosorpcji była przeliczana na suchą biomasę, którą w przypadku pierwszego procesu wyznaczano z równania:

masa sucha (m.s.) = 0,0541 • masa mokra (m.m.) -I- 0,0044 (g).

Proces bioakumulacji prowadzono w dwóch układach wieloskładnikowych, w któ

rych suma stężeń mikroelementów wynosiła odpowiednio 0,700 i 1,48 meq/dm^.

Proces ten został ukończony po około dwustu godzinach (rys. 3 - (a) i (b)). Nato

miast biosorpcję jonów mikroelementów przez makroalgę przeprowadzono dla sumy stężeń mikroelementów 1,73 meq/dm^ (rys. 3 (c)). Proces ten został ukończony po około pięćdziesięciu minutach.

W przypadku bioakumulacji jonów Zn(ll), Mn(ll) i Co(ll) z układu wieloskładniko

wego (Z 1,48 meq/dm^) przez Vaucheria sessilis dodatkowo widoczne były dwie fazy procesu (rys. 3 (b)): pierwsza to biosorpcja, która zachodziła do ok. 120 h, druga zaś to właściwa bioakumulacja (od 120 do 336 h). W przypadku bioakumulacji jonów Cu(ll) w obu układach zaobserwowano, że w początkowej fazie procesu były one uwalniane z biomasy, a niewiązane (punkty nie zaznaczone na wykresie). Uwalnianie jonow Cu(ll) z biomasy w początkowej fazie bioakumulacji, może wynikać z faktu.

(7)

Izabela Michalak. Katarzyna Chojnacka

Rys. 3. Bioakumulacja (a) Z 0,700 meq/dm^; (b) Z 1,48 meq/dm^ i biosorpcja (c) Z 1,73 meq/dm^ jo

nów mikroelementów przez Vaucheria sessilis.

(8)

Że spośród badanych mikroelementów, jony Cu(ll) są najbardziej toksyczne dla alg

|21|. Istnieje również teoria, że w wyniku zatrucia żywych komórek danym składni

kiem, biomasa częściowo traci zdolność wiązania danego jonu i jego małe ilości są następnie uwalniane do roztworu. Po kilku godzinach, zatrucie powoduje obumie

ranie części biomasy, która w końcowym etapie bioakumulacji ponownie wiąże uwolnione uprzednio jony metalu [22]. W przypadku jonów Cu(ll) identyczny efekt obserwowano dla bioakumulacji tych jonów przez mikroalgę Chlorella kessleri [3].

Dane doświadczalne obrazujące bioakumulację i biosorpcję jonów mikroele

mentów w układzie wieloskładnikowym opisano modelem pseudodrugorzędowym (tab. 2). W przypadku bioakumulacji i biosorpcji jonów mikroelementów z układów:

I 1,48 meq/dm^ i 1,73 meq/dm^, odpowiednio, obserwowano taki sam szereg Cu(ll) > Zn(ll) > Co(ll) > Mn(ll). Dla bioakumulacji z układu S 0,700 meq/dm^, szereg ten różnił się nieznacznie: Cu(ll) > Zn(II) > Mn(ll) > Co(ll). Największą równowa

gową pojemność bioakumulacyjną (g^ą) oraz najmniejszą stałą szybkości - k, makro- alga wykazywała w obu układach (S 0,700 meq/dm^ i S 1,48 meq/dm^) w stosunku do jonów Cu(II) (g^ą. odpowiednio 4,90 mg/g i 9,42 mg/g oraz k: 0,000755 g/mg • min i 0,00161 g/mg • min) (tab. 2 (a) i (b)). Szereg stałej szybkości w obu procesach bio

akumulacji przedstawiał się następująco: Mn(II) > Co(ll) > Zn(ll) > Cu(ll). Wykazano

Tabela 2 Parametry modelu pseudodrugorzędowego dla bioakumulacji (a) I 0,700 meq/dm^; (b) Z 1,48 meq/dm^

i biosorpcji (c) S 1,73 meq/dm^ jonów mikroelementów przez Vaucheria sessilis

(a)

Suma stężeń mikroelementów - 0,700 meq/dm^

Go (mg/dm-9 _^eq(mg/g) ^k (g/mg ■ min) ^/?2

Zn(II) 4,86 4,04 0,00768 0,951

Mn(ll) 7,20 2,85 0,0359 0,977

Cu (11) 2,98 4,90 0,000755 0,918

Co(II) 5,76 2,67 0,0179 0,967

(b)

Mikroelement

Go (mg/dni5)

1 -f II etap

(mg/g) k (g/mg • min) ^/?2

Zn(II) 10,7 8,04 0,00265 0,823

Mn(ll) 14,7 4,01 0,0182 0,928

Cu (11) 6,19 9,42 0,00161 0,978

Co(ll) 12,5 4,12 0,0104 0,907

(9)

(b’) Podział procesu bioakumulacji na dwa etapy: pasywny (I) i aktywny (II)

Mikroelement 1 etap (do 120 h) 11 etap (od 120 do 336 h)

^eq (mg/g) k (g/mg • min) /?2 q,ą (mg/g) k (g/mg • min)

Zn(II) 2,52 0,l6l 0,933 9,63 0,00111 0,807

Mn(ll) 2,76 0,274 0,976 4,68 0,00400 0,606

Cu(Il) 9,42 0,00161 0,978

Co(II) 2,36 0,462 0,997 4,91 0,00302 0,641

*=w pierwszym etapie jony Cu(ll) były uwalniane z biomasy do roztworu, a nie wiązane

(c)

Mikroelement

Co (mg/din9 ^eq (mg/g) k (g/mg • min) /?2

Zn(Il) 14,3 8,79 0,181 0,994

Mn(ll) 11,9 4,72 0,767 0,988

Cu(ll) 12,4 12,0 0,447 0,999

Co(ll) 13,7 5,68 0,370 0,983

również, że istnieje liniowa zależność (R 0,931) pomiędzy ilością jonów: Zn(ll), Mn(ll), Cu(ll) i Co(ll) zakumulowanych przez biomasę w układzie o sumarycznym stę

żeniu jonów - X 0,700 meq/dm^ i w układzie X 1,48 meq/dm^.

W przypadku bioakumulacji jonów mikroelementów (X 1,48 meq/dm^) w pierw

szym etapie, pojemność biosorpcyjna Vaucheria sessilis w stosunku do jonów Mn(ll), Co(ll) i Zn(ll) była porównywalna (odpowiednio 2,76 mg/g, 2,36 mg/g, 2,52 mg/g) (tab. 2 (b’)). W przypadku stałej szybkości, wartości parametru k dla pierwszego eta

pu bioakumulacji (biosorpcji) były znacznie większe (Mn(ll) - k - 0,274 g/mg • min, Co(ll) - 0,462 g/mg ■ min i Zn(ll) - 0,161 g/mg • min), niż dla drugiego etapu (aktyw

na bioakumulacja) (Mn(ll) - k - 0,00400 g/mg • min, Co(Il) - 0,00302 g/mg ■ min i Zn(ll) - 0,00111 g/mg • min). Wartości parametru k z pierwszego etapu bioakumu

lacji były tego samego rzędu wielkości co wartości parametru k z biosorpcji jonów mikroelementów.

W ramach pracy przeprowadzono również doświadczenie nad statyką procesu biosorpcją jonów: Zn(ll), Mn(ll), Cu(ll) i Co(ll) z roztworu wodnego w układzie wielo

składnikowym w tych samych warunkach procesowych (suma stężeń mikroelemen

tów w roztworze wyjściowym wynosiła 1,98 meq/dm^). Na podstawie tych wyników potwierdzono, że największą pojemność biosorpcyjną Vaucheria sessilis wykazuje w stosunku do jonów Cu(ll) - 12,0 mg/g, Zn(ll) - 8,32 mg/g, Co(ll) - 5,92 mg/g i Mn(ll) - 3,77 mg/g. Kolejność ta pokrywa się również z wynikami uzyskanymi dla

(10)

(a) - POWIERZCHNIA (surface) (a’) - PRZEKRÓJ (cross sectiott)

(b) (b’)

Ba>20.00n/ WD- Birm Mo- 1Q0X DHirtofS£1

Rys. 4. Zdjęcie podkładowe powierzchni (a) i przekroju (a’) biomasy po bioakumulacji wzbogaconej w Jony Cu(ll); mapa rozmieszczenia Jonów Cu(ll) na powierzchni (b) i w przekroju biomasy (b’); zdjęcie powierzchni Vaucheria sessilis z widocznymi Jonami Cu(ll) (c).

(11)

Statyki procesu biosorpcji tych mikroelementów (opisanej równaniem Langmuira) przez Vaucheria sp. z układu jednoskładnikowego. Dla warunków procesowych:

Cs 1,0 g/dm^, Cq 10 300 mg/dm^, T 20°C, pH 5, uzyskano następujące wartości maksymalnej pojemności biosorpcyjnej w układzie jednoskładnikowym: qâx Cu(ll) - 36,2 mg/g: qâx Zn(ll) - 32,7 mg/g; qâx Co(ll) - 30,3 mg/g; qmax Mn(ll) - 22,1 mg/g [23].

Na rysunku 4 przedstawiono zdjęcia mikroskopowe makroalgi Vaucheria sessilis, wzbogaconej przykładowo w jony Cu(ll) na drodze bioakumulacji w układzie jed

noskładnikowym. Zdjęcia te zostały wykonane w Pracowni Mikroskopii Elektrono

wej na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu (RONTEC - SEM, Leo Zeiss 435).

Na ich podstawie potwierdzono, że na powierzchni biomasy zachodzi wiązanie jo

nów Cu(ll) (rys. 4(b) - mapa rozmieszczenia jonów). Wykazano również bioakumula- cję tych jonów we wnętrzu żywej komórki makroalgi - zdjęcie przekroju biomasy (rys. 4(b’).

3.3. Porównanie procesu bioakumulacji i biosorpcji

W celu poznania korelacji pomiędzy qeq makroalgi w stosunku do jonów mikroele

mentów wiązanych przez biomasę w trakcie procesów bioakumulacji i biosorpcji, otrzymane wyniki poddano analizie statystycznej w programie Statistko (wersja 8).

Oznaczone współczynniki korelacji są istotne z p<0,05 (N = 3). Wykazano, że sy- nergizm występował pomiędzy wszystkimi parami jonów: Mn(ll)-Zn(ll) : 0,972;

Cu(ll)-Zn(ll) : 0,976; Cu(ll)-Mn(ll) : 1,00; Co(ll)-Zn(ll) : 0,922; Co(ll)-Mn(ll) : 0,987 i Co(ll)-Cu(ll) : 0,984.

Równowagowe pojemności uzyskane dla procesu biosorpcji były większe niż dla procesu bioakumulacji dla tych samych warunków procesowych (w przypadku jo

nów Co(ll), wartość qeq uzyskana w procesie biosorpcji była o 37,9% większa niż w procesie bioakumulacji, dla jonów Cu(II) o 27,4%, dla jonów Mn(ll) o 17,7%, zaś dla jonów Zn(ll) o 9,33%). Podobne wyniki otrzymały również Kadukova i Vircikova, któ

re obserwowały znacznie większą zdolność do wiązania jonów Cu(II) przez nieżywą biomasę mikroalgi Chlorella kessleri w porównaniu do żywej [3]. Wartość stałej szyb

kości dla biosorpcji jonów Cu(ll) była 278 razy większa niż dla bioakumulacji tego kationu, jonów Zn(ll) 68 razy, jonów Mn(ll) 42 razy, a jonów Co(ll) 36 razy.

Zarówno w trakcie procesu bioakumulacji jak i biosorpcji były uwalniane z bio

masy jony metali alkalicznych (Na(l) i K(l)) i jony metali ziem alkalicznych (Ca(ll) i Mg(ll)). Otrzymane wyniki przedstawiono na rysunku 5 i w tabeli 3.

Ilość jonów metali alkalicznych uwalnianych z biomasy w trakcie procesu bio

akumulacji przedstawiała się następująco (mg/g): K(l) > Mg(ll) > Ca(ll), jony Na(l) były wiązane z roztworu pożywki przez biomasę. Szereg ten pokrywał się z zawar

tością tych jonów w naturalnej Vaucheria sessilis (tab. 1), która zawierała 2,5 razy więcej jonów K(l) niż jonów Mg(ll), 4,4 razy więcej jonów K(l) niż jonów Ca(ll) i 35 razy więcej jonów K(l) niż jonów Na(l). Stąd też może wynikać uwalnianie w niewiel-

(12)

Porównanie procesu biosorpcji i bioakumiilacji mikroelementów przez makroalgę Vaucheria sessilis

• Na(l)

♦ Ca(ll)

■ Mg(ll)

* K(l)

(b)

(c)

7 .

• Na(l)

• Ca(ll) Mg(ll)

K(l)

Rys. 5. Jony metali alkalicznych uwalniane w trakcie procesu bioakumulacji (a) S 0,700 meq/dm^;

(b) Z 1,48 meq/dm3 i biosorpcji (c) Z 1,73 meq/dm^ Jonów mikroelementów przez Vaucheria sessilis.

(13)

kim stopniu jonów Ca(II) i Na(l), które petnią ważne funkcje w życiu makroalgi. Zale

żność pomiędzy ilością jonów mikroelementów uwalnianych z biomasy w trakcie procesu bioakumulacji w obu układach a ich zawartością w naturalnej biomasie przedstawiono na rysunku 6.

Tabela 3 Porównanie ilości jonów metali alkalicznych uwalnianych z biomasy w trakcie procesu bioakumulacji i biosorpcji

Jony metali alkalicznych i ziem alkalicznych

Bioakiimulacja Biosorpcja

Z 0,700 meq/dm3 Z 1,48 meq/dm^ Z 1,73 meq/dm3

(m&'g) ^cq (m&'g) ^'cq (mg/g)

Nad) 0,385 0,697 -2,24

Ca(ll) -0,239 -0,348 -16,2

Mg(ll) -5,59 -6,12 -8,74

K(l) -11,3 -21,0 -16,3

Z jonów uwalnianych (nieq/g)

0,761 1,06 2,04

Rys. 6. Zależność pomiędzy ilością jonów mikroelementów uwalnianych z biomasy w trakcie proce

su bioakumulacji a ich zawartością w naturalnej biomasie.

(14)

W przypadku biosorpcji, sucha biomasa uwalniała jony w następującej kolejności:

K(l) : 16,3 mg/g>Ca(ll) : 16,2 mg/g>Mg(ll) : 8,74 mg/g>Na(l) : 2,24 mg/g - tabela 3.

Na podstawie tych wyników potwierdzono, że biosorpcja jest zjawiskiem zachodzą

cym na powierzchni biomasy, w wyniku której jony metali alkalicznych są wymienia

ne z jonami mikroelementów z roztworów wodnych. W przypadku biosorpcji, bio

masa uwolniła do roztworu 2,04 meq/g (q^w) jonów metali alkalicznych i związała 1,01 meq/g jonów mikroelementów. Dla bioakumulacji (S 0,700 meq/dm^) sto

sunek qzw/Quw wynosił 0,549 zaś dla Z 1,48 meq/dm^ 0,698,

4. Podsumowanie

Na podstawie uzyskanych wyników wykazano, że korzystniejszą metodą wzbo

gacania biomasy makroalg w kationy o znaczeniu paszowym jest metoda biosorpcji, którą można prowadzić przy znacznie większych stężeniach jonów mikroelementów niż proces bioakumulacji. Ponadto, jest to proces wydajny i uniwersalny, który może być prowadzony w szerokim zakresie pH (od 3 do 9) i temperatury (od 4 do 90°C), nie wymaga również wysokich nakładów inwestycyjnych, w przeciwieństwie do pro

cesu bioakumulacji, w którym hodowla żywej biomasy jest pierwszym i kosztownym etapem. Dodatkowo podstawową wadą tego procesu może być efekt toksyczny dla żywej biomasy, wywołany zbyt wysokim stężeniem jonów metali w roztworze wyjś

ciowym. Zarówno wartości równowagowej pojemności jak i stałej szybkości uzyska

ne dla procesu biosorpcji były większe niż dla procesu bioakumulacji dla tych samych warunków procesowych. W przypadku jonów Co(ll), wartość geq uzyskana w proce

sie biosorpcji była o 37,9% większa niż w procesie bioakumulacji, dla jonów Cu(ll) 0 27,4%, dla jonów Mn(ll) o 17,7%, zaś dla Zn(ll) o 9,33%. Wartość stałej szybkości dla biosorpcji jonów Cu(ll) była 278 razy większa niż dla bioakumulacji tego kationu, jo

nów Zn(ll) 68 razy, jonów Mn(ll) 42 razy, a jonów Co(ll) 36 razy.

Praca została sfinansowana z grantu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (nr R 05 014 01 1 N N209 146136).

Literatura

1. Schiewer S., Volesky B., (1995), Environ. Sci. Techn., 29, 3049-3058.

2. WangJ., Chen C., (2009), Biotech. Adv., 27, 195-226.

3. Kadukova J., Virci'kova E., (2005), Environ. Inter., 31, 227-232.

4. Chojnacka K., (2009), Biosorption and Bioaccumulation in Practice, Nova Science Publisher, Inc., New York.

5. Malik A., (2004), Environ. Inter., 30, 261-278.

6. Amado Filho G. M., Karez C. S., Andrade L. R., (1997), Ecotox. Envir. Safety, 37, 223-228.

7. Hu S., Hung Tang C., Wu M., (1996), Sci. of the Total Environ., 187, 65-71.

8. Kadlubowska j. Z., (1975), Zarys algologii, PWN, Warszawa.

(15)

9. Chi E-S., Henry E. C., Kawai H., Okuda K., (1999), Phycol. Res., 47, 53-60.

10. Mine 1., Okuda K., (2007), Planta, 225, 1135-1146.

11. Parker B. C., Preston R. D., Fogg G. E., (1963), Proceedings of the Royal Society of London, Series B, Bio

logical science, 158, 435-445.

12. Linne von Berg Klaus K. H., Kowallik V., (1996), Hydrobiologia, 336, 83-91.

13. http;//wvvw.epsag.uni-goettingen.de/html/sag.html 14. Michalak 1., Chojnacka K., Adsorption (under review).

15. Chojnacka K., (2006), Talanta, 70, 966-972.

16. Wojciechowski J., (1969), Wszechświat, 2, 34-37.

17. Smulikowska S., (1996), Normy żywienia drobiu. Zalecenia żywieniowe i wartość'pokarmowa pasz, pr. zb.

pod red. S. Smulikowskiej, PAN, Warszawa.

18. Smulikowska S., (1993), Normy żywienia s'win. Wartość pokarmowa pasz, Omnitech Press, Warszawa.

19. Michalak 1., Chojnacka K., dane z prac własnych (publikacja w przygotowaniu).

20. Ho Y. S., McKay G., (1999), Proc. Biochem., 34, 451-465.

21. Yan H., Wang X., Lin Y., Wen G., (2001), Huan jing Ke Xue, 22, 23-26.

22. Danihelka P., Chovancova 1., Spinkova K., (1997), Proceedings of VI International Symposium, Rotter- dam7 Balkema, 839-842.

23. Michalak 1., Chojnacka K., (2008), Chem. Agric., 9, 223-231.